螺旋锥束CT三维图像重建插值算法的FPGA设计与实现

论文摘要

计算机断层成像技术(CT,Computed Tomography)被广泛应用于人体组织成像领域,是进行人体医疗诊断的重要手段。CT应用中,图像重建算法的实现是一个关键问题。2002年,Katsevich提出了螺旋锥束CT三维图像重建算法,这是一种精确三维图像重建算法,它逐渐成为CT成像领域的研究热点。Katsevich算法数据量巨大且运算复杂,如何实现该算法的加速是其临床应用的一个难点。本文讨论的是Katsevich螺旋锥束CT三维图像重建中插值算法的FPGA设计与实现,这为该算法的硬件加速实现提供了研究基础,也为其临床应用起到了良好的促进作用。本文主要研究Katsevich锥束三维重建算法插值部分的硬件设计与实现,这是整个算法硬件实现的重要组成部分之一。在锥束三维图像重建中,插值算法分为滤波前插值和滤波后插值两部分,主要用来实现数据的重新排列,为反投影计算做准备。本文首先介绍了Katsevich锥束CT三维图像重建理论及其插值算法的软件实现,比较分析了最邻近点插值法和线性插值法对图像重建速度和重建质量的影响,选择线性插值算法进行三维图像重建。考虑FPGA资源和速度的因素,本文进行了插值算法的定点仿真,确定了定点数据的位数。之后,进行了插值算法的FPGA硬件建模,在硬件资源和速度间进行了合理权衡,实现了插值算法单元的流水线设计,完成了该硬件系统的功能仿真、综合、布局布线和时序分析。最后,进行了插值硬件系统的优化设计,通过模块并行化和查找表实现这两种方式进行了插值系统的优化设计,并完成了性能分析和速度评估。相对于软件实现方式,FPGA插值硬件系统在运算速度上能达到近36倍加速比。本设计在Katsevich螺旋锥束CT三维图像重建的硬件加速上作出了有益的探索和研究,为三维图像重建系统的硬件加速实现提供了必要准备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外相关技术发展历史和现状
• 1.2.1 医疗CT图像重建技术的发展
• 1.2.2 精确重建及插值算法的研究现状
• 1.3 本课题的研究目的及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 Katsevich算法及其插值的理论研究
• 2.1 三维图像重建技术的理论基础
• 2.1.1 CT图像重建技术的物理基础
• 2.1.2 CT图像重建投影数据的获取
• 2.2 Katsevich算法的分析和研究
• 2.2.1 Katsevich算法的基本概念
• 2.2.2 基于平板探测器的Katsevich算法
• 2.2.3 Katsevich算法的重要参数
• 2.3 Katsevich算法中的插值算法
• 2.3.1 插值算法的理论基础
• 2.3.2 Katsevich算法中插值算法的分析
• 2.3.3 插值算法的复杂度分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 Katsevich算法插值的实现及定点仿真
• 3.1 Katsevich算法中插值的实现
• 3.1.1 插值算法的数据流分析
• 3.1.2 插值算法的C实现
• 3.1.3 插值算法仿真结果分析
• 3.1.4 插值算法的并行化C实现
• 3.2 Katsevich算法中插值的定点化仿真
• 3.2.1 定点化的相关理论
• 3.2.2 定点化仿真策略分析
• 3.2.3 插值算法的定点化仿真
• 3.2.4 定点化仿真结果及性能分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 Katsevich算法中插值的FPGA设计
• 4.1 硬件系统的总体设计方案
• 4.1.1 FPGA硬件资源概述
• 4.1.2 系统设计目标
• 4.1.3 硬件系统设计流程及设计原则
• 4.1.4 插值系统整体设计方案
• 4.2 插值算法子模块的设计
• 4.2.1 输入数据缓存单元的设计
• 4.2.2 k 线计算单元的设计
• 4.2.3 线性插值单元的设计
• 4.2.4 插值系统控制单元的设计
• 4.2.5 插值系统时钟设计的相关问题
• 4.3 插值硬件系统的设计与性能分析
• 4.3.1 FPGA硬件平台与系统搭建
• 4.3.2 插值硬件系统的功能仿真
• 4.3.3 插值硬件系统的综合
• 4.3.4 插值硬件系统的优化与性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢